有源紋波補償BUCK型LED驅動電路設計

傳統BUCK 電路采用LC 濾波，電路穩態工作時，輸出電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成。當驅動LED 時，紋波電壓將引起較大的LED 紋波電流。增大濾波電容可減小LED 的紋波電流。但是，電容容量的增大，導致電源體積和重量增加，影響電源的小型化和集成化，更重要的是，電解電容成為限制LED 驅動電源壽命的主要因素。在LED 照明應用環境下，電解電容的壽命不超過10 000 h，與LED 的長壽命( 100 000 h 左右) 難以匹配。文獻分析了開關電源的平均無故障時間，指出電解電容的性能直接決定了電路的可靠性，在設計電源驅動器的時候應該有針對性地減少電解電容的使用。電解電容的有效工作壽命在很大程度上取決于環境溫度以及通過等效串聯阻抗的紋波電流導致的溫升。溫度過高致使電解電容電解質逐漸耗盡，使得其性能下降。

　　本文提出一種有源紋波補償BUCK 型LED 驅動電路。該電路無需使用大容量電解電容，所需要的小容量電容可以采用能量密度較小的新型長壽命電容，利用有源補償技術抑制輸出紋波電流。由于取消電解電容的使用，可以使電路壽命增長，穩定性提高，便于集成，電路易小型化。

　　一、有源紋波補償BUCK 電路

　　電路如圖1 所示。電路結構以BUCK電路為主，取消電解電容濾波，用輔助線性電路對電感紋波電流進行補償。圖中由開關管V、電感L、LED 燈組、續流二極管VD 組成主電路; 晶體管VT 為輔助補償電路。

　　圖1 有源紋波補償BUCK 電路拓撲圖

　　設主電路電感電流iL和晶體管VT 的集電極電流iC分別為：

　　式中，IL和IC分別是電感電流和的集電極電流的直流分量; ir和ic分別為它們的交流分量( 紋波電流) 。

　　當ic = - ir時，輸出電流為：

　　通過LED 的電流iO為恒定直流，如圖2 所示，實現了對電感紋波電流的全補償。

　　式中，Ip和IPP分別是電感電流的上峰值和電感紋波電流的峰峰值。

　　圖2 電感電流補償示意圖

　　LED 燈組為n 個大功率LED 串聯連接，UO =nUF為LED 燈組壓降; UF為單個LED 的導通壓降。

　　晶體管VT 的損耗為：

　　在保證晶體管VT 的集射電壓大于其飽和壓降( VCE≥VCES) 的條件下，調整占空比D ( 如D 取值范圍為85% ～ 95%) ，可使集射電壓足夠小。同時，控制集電極瞬時電流iC的最小值近似為零，則IC最小。因此，晶體管VT 的損耗為最小，可提高驅動電源的效率。

　　二、紋波補償的實現

　　1. 紋波電流檢測

　　根據電感元件的電壓與電流關系：

　　可以通過觀測電感兩端的電壓來檢測紋波電流，如圖3 所示。圖3 中檢測電路由運算放大器A1、電阻R 及電容C 組成差分積分電路。假設各元器件均為理想元器件則：

　　即：

　　圖3 紋波電流檢測補償原理圖

　　uo1( t) 是與電感紋波電流成正比的函數，比例系數為：

　　A1采用單電源供電，uo1≥0，在紋波電流為正峰值時uo1 = 0 有：

　　式中：

　　所以：